BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt Bài 1: MẠCH LƯU CHẤT A. LÝ THUYẾT I. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kính khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn, venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van, chữ T. II. Cơ sở lý thuyết. 1. Lưu lượng kế màng chắn và venturi. Nguyên tắc của hai dụng cụ này là dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu lượng. Hình 1: Vận tốc trung bình ở vò trí (2) được tính từ công thức tổng kê năng lượng: Trong đó: C: hệ số của màng chắn và venturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy của Re. :P∆ độ giảm áp suất qua màng chắn hay venturi, N/m 2 . : γ trọng lượng riêng của lưu chất, N/m 3 . : 1 2 d d = β tỷ số giữa đường kính cổ venturi (hay đường kính lổ màng chắn) trên đường kính ống. Do đó lưu lượng qua màng chắn hay venturi được tính bằng: Q = V 2 A 2 = V 1 A 1 . 2. Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn. Khi lưu chất chỷa trong ống, ta có sự mất năng lượng do ma sát ở thành ống. Xét trường hợp một ống tròn đều nằm ngang. Từ phương trình Becnoulli ta có: 0 2 )()( 2 =+∆+ ∆ + ∆− f HZ g V g P α ρ SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 1 1 1 2 2 v v v v 2 2 1 1 )1( 4 2 βγ − ∆ = P CV GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt Vì: 0 2 )( 2 = ∆ g V α và 0 =∆ Z g P H f ρ ∆ =⇒ : f H thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m. Tổn thất năng lượng này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình Darceyweisbach: gD LV fH f 2 2 = Trong đó: :f hệ số ma sát, vô thứ nguyên. L: chiều dài ống, m. D: đường kính ống, m. a) Trong chế độ chảy từng: Tổn thất ma sát được tính theo công thức sau: 2 32 gD LV H f ρ µ = Hệ số ma sát f có thể tính theo công thức của Hagen – Poiseuille: Re 6464 == ρ µ DV f Trong đó: : µ hệ số độ nhớt động lực học, Kg.s/m. V: vận tốc dòng chảy, m/s. : ρ khối lượng riêng của chất lỏng, Kg/m 3 . Đối với chất lỏng là nước ở điều kiện thường (20 o C) thì: µ = 10 -2 poise = 10 -3 Kg/s.m = 10 -3 N.s/m 2 = 10 -3 Pa.s và ρ = 1000 Kg/m 3 . b) Trong chế độ chảy rối: Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống       D ε . Độ nhám tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành ε (độ nhám tuyệt đối) trên đường kính ống D. Người ta có thể tính f từ một số phương trình thực nghiệm như phương trình Nikuradse, hay để thuận tiễn người ta sử dụng giản đồ f theo Re và       D ε (giản đồ Moody). Ngoài sự mất mát năng lượng do ma sát trong ống dẫn nói trên, ta còn có sự mất mát năng lượng do trở lực cục bộ, như do sự thay đổi tiết dệin chảy, thay đổi hướng chảy, hay do sự thay đổi tiết diện van. Trong trường hợp này ta có công thức tính trở lực cục bộ như sau: td td cb gD Vl fP 2 2 =∆ : td l chiều dài tương đương của cút, van, … SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 2 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt Chiều dài tương đương được đònh nghóa như chiều dài của một đọan ống thẳng có cùng tổn thất năng lượng tại van, cút trong điều kiện như nhau. Trở lực này bằng thế năng riêng tiêu tốn dể thắng trở lực do bộ phận ta đang xét gây ra: g V P cb 2 2 ξ =∆ td td D l f= ξ f D l td td ξ = B. THÍ NGHIỆM I. Kết Quả Đo. Thí nghiệm 1: Trắc đònh lưu lượng kế màng chắn và venturi. lần TN đổ mở van 7 W (lít) thời gian t(s) 1 1/6 1 3.00 125.00 146.00 95.00 107.00 1/3 2 3.75 114.00 151.00 84.00 105.00 1/2 3 5.77 102.00 152.00 82.00 105.00 2/3 4 8.70 102.00 151.00 82.00 105.00 5/6 5 10.20 102.00 151.00 82.00 105.00 HT 6 12.95 112.00 152.00 82.00 105.00 2 1/6 1 2.85 124.00 147.00 84.00 106.00 1/3 2 3.50 103.00 152.00 84.00 106.00 1/2 3 5.57 102.00 152.00 84.00 106.00 2/3 4 8.70 103.00 152.00 84.00 106.00 5/6 5 10.25 103.00 152.00 84.00 106.00 HT 6 13.00 103.00 152.00 84.00 106.00 3 1/6 1 3.20 125.00 154.00 80.00 104.00 1/3 2 3.80 102.00 154.00 80.00 104.00 1/2 3 5.95 102.00 154.00 80.00 104.00 2/3 4 8.65 102.00 154.00 80.00 104.00 5/6 5 9.95 102.00 154.00 80.00 104.00 HT 6 11.25 102.00 154.00 80.00 104.00 Thí nghiệm 2: thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D. 1. Cho ống A: SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 3 )( 2 OCmH g Pv ρ )( 2 OCmH g Pm ρ GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt 2. Cho ống B: 3. Cho ống C: SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 4 Lần TN Đổ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P ong 2 ρ 1 1/4 140 143 112.00 111.00 1/2 124 147 104.00 102.00 3/4 114 152 102.00 99.00 HT 111 154 101 98 2 1/4 140 143 114 110 1/2 126 147 105 102 3/4 114 153 102 101 HT 110 151 101 99 3 1/4 138 145 113 110 1/2 126 147 104 101 3/4 115 151 103 101 HT 111 153 102 99 Lần TN Đổ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P ong 2 ρ 1 1/4 138 143 112 110 1/2 128 144 106 102 3/4 119 147 103 97 HT 145 148 102 95 2 1/4 140 143 114 110 1/2 126 147 105 102 3/4 114 153 102 101 HT 110 151 101 99 3 1/4 138 143 110 111 1/2 130 145 106 102 3/4 120 146 103 97 HT 146 147 101 96 lần TN độ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P ong 2 ρ 1 1/4 136 143 113 106 1/2 125 143 110 95 3/4 120 144 109 90 HT 119 144 109 98 2 1/4 135 142 112 106 1/2 126 142 111 96 3/4 122 145 110 92 HT 120 145 110 98 3 1/4 135 143 112 106 1/2 126 143 110 96 3/4 122 144 109 92 HT 119 144 109 98 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt 4. Cho ống D: Thí nghiệm 3: Đònh chiều dài tương đương cho van, cút. Van 5 (8 vòng). Độ mở van 5: ¼ vòng. (2 vòng) Lần TN Độ mở van 5 Độ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P van 2 ρ 1 1/4 1/4 139 143 112 111 1/2 125 146 104 102 3/4 115 151 102 97 HT 110 153 101 94 2 1/4 1/4 138 143 111 110 1/2 126 145 103 101 SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 5 lần TN độ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P ong 2 ρ 1 1/4 137 141 117 102 1/2 130 138 117 88 3/4 126 136 117 82 HT 125 135 117 80 2 1/4 135 140 115 103 1/2 132 139 115 89 3/4 124 136 115 83 HT 125 134 115 81 3 1/4 136 140 116 102 1/2 129 138 116 89 3/4 125 135 116 82 HT 124 134 116 81 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt 3/4 114 150 101 96 HT 109 153 99 95 3 1/4 1/4 138 143 112 110 1/2 125 146 104 102 3/4 115 150 102 97 HT 110 152 99 95 Độ mở van 5: ½ vòng. (4 vòng) Lần TN Độ mở van 5 Độ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P van 2 ρ 1 1/2 1/4 138 143 111 110 1/2 123 147 104 101 3/4 114 152 102 96 HT 110 154 101 94 2 1/2 1/4 135 143 112 111 1/2 125 146 103 102 3/4 114 152 102 97 HT 112 153 101 95 3 1/2 1/4 137 114 111 110 1/2 123 146 104 102 3/4 115 151 102 96 HT 111 153 101 95 Độ mở van 5: ¾ vòng. (6 vòng) Lần TN Độ mở van 5 Độ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P van 2 ρ 1 3/4 1/4 138 142 111 110 1/2 123 147 108 97 3/4 145 150 109 90 HT 111 152 109 87 2 3/4 1/4 135 143 110 109 1/2 121 146 109 96 3/4 144 148 108 92 SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 6 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt HT 110 151 108 86 3 3/4 1/4 136 142 111 110 1/2 122 146 109 98 3/4 144 148 107 91 HT 111 152 107 89 Độ mở van 5: Hoàn toàn (8 vòng) Lần TN Độ mở van 5 Độ mở van 6 ( ) OmH g P m 2 ρ ( ) OmH g P van 2 ρ 1 hoàn toàn 1/4 136 142 119 99 1/2 123 143 136 68 3/4 119 144 140 58 HT 117 145 143 54 2 hoàn toàn 1/4 134 140 120 101 1/2 125 141 138 71 3/4 119 142 140 59 HT 118 143 142 56 3 hoàn toàn 1/4 135 141 120 99 1/2 124 142 136 71 3/4 119 143 139 58 HT 117 144 143 56 II. Kết Quả Tính. Trình tự tính toán như sau: Thí nghiệm 1: )/( sl t W Q = )( 2 OmH g P g P g P mbemlơnm ρρρ −= ∆ )( 2 OmH g P g P g P vbevlơnv ρρρ −= ∆ µ ρ VD f == 64 Re Tìm V, ta có Q = V 2 A 2 = V 1 A 1 . SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 7 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt V 1 = V 2 vì van và cút có tiết diện giống nhau, A 1 = A 2 do đường kính lỗ của màng chắn và đường kính cổ venturi bằng nhau (17mm), lối vào màng chắn và venturi bằng nhau (40mm). Vậy: )/( 4 2 sm D Q A Q V π == Q: m 3 /s. Sau khi tính V ta tính được Re. Với các thông số sau: ρ = 1000 Kg/m 3 khối lượng riêng của chất lỏng ở 20 0 C, 14.3= π , µ = 10 -3 Kg/sm độ nhớt của nước ở 20 0 C, D = 17mm = 17.10 -3 m đường kính lổ của màng và đường kính cổ của venturi. Tính Cm và Cv. Từ công thức: )1( 4 2 βγ − ∆ = P CV Ta có ( ) 4 1 βγ − ∆ = P V C Với Cm thì tính theo m P∆ , Cv tính theo v P∆ g ργ = : 1 2 d d = β tỷ số giữa đường kính cổ venturi (hay đường kính lổ màng chắn) trên đường kính ống. 29 17 = β g g P P ρ ρ . ∆ =∆ Thí nghiệm 2: Q (l/s) được tra từ đồ thò biểu hiện sự phụ thuộc của Q đối với thủy dầu áp suất g P m ρ ∆ và g P v ρ ∆ g P m ρ ∆ và g P v ρ ∆ được tính tương tự như thí nghiệm 1. 2 4 D Q A Q V π == Với mỗi thí nghiệm tương ứng với mỗi loại ống thì D khác nhau. Số liệu kích thước cho mỗi loại ống cho trong bảng sau: Loại ống Đường kính ngoài (mm) Đường kính trong (mm) A 34 29 SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 8 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt B 26.5 22 C 21.5 17 D 16.5 13.5 Tính f. Từ công thức: gD LV fH f 2 2 = Vậy 2 2 LV gDH f f = Với g P H ong f ρ ∆ = Lấy g = 10 m/s 2 . L: chiều dài của mỗi ống = 1.5m . µ ρ VD f == 64 Re Thí nghiệm 3. Các thông số tính tương tự thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2. f tra từ đồ thò biểu diễn mối quan hệ giữa Re và f ở thí nghiệm 2 theo ống A. Để tính chiều dài tương đương : td l cho van 5 theo các độ mở khác nhau ta có. g V P cb 2 2 ξ =∆ td td D l f= ξ f D l td td ξ = Trong đó: ξ và D td tra theo bảng sau ứng với mỗi độ mở khác nhau của van 5. Bảng kết quả tính cho mỗi thí nghiệm: Thí mghiệm 1: SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 9 Độ mở Mở hoàn toàn ¾ ½ ¼ ξ 0.12 0.26 2.06 17 D (mm) 29 26.83 22.63 16.28 GVHD: Ks. Phaïm Ñình Ñaït Thí nghiệm 2: Cho ống A: Cho ống B: Q (l/s) V (m/s) f Re 0.50 0.05 0.02 1.31599726 3 0.00338 8 2895 2 0.49 0.16 0.04 1.28967731 7 0.00705 4 2837 3 0.49 0.28 0.06 1.28967731 7 0.01058 2 2837 3 0.46 0.03 0.07 1.21071748 2 0.01400 8 2663 6 SVTH: Nguyeãn Troïng Anh: Trang: 10 )( 2 OmH g Pm ρ ∆ )( 2 OmH g Pv ρ ∆ . trò trung bình. Đồ thị bi u hiện sự phụ thuộc giữa lưu lượng Q với ( ) OmH g P m 2 ρ ∆ qua màng chắn ống SVTH: Nguyễn Trọng Anh: Trang: 16 GVHD: Ks. Phạm Đình Đạt Đồ thò bi u hiện sự phụ thuộc. ) OmH g P v 2 ρ ∆ qua venturi. Hệ số lưu lượng kế C m và C V theo Re: Bi u đồ thể hiện hệ số lưu lượng kế C m theo Re Thí nghiệm 2: Thừa số ma sát theo Re: Cho ống A: Bi u đồ thể hiện sự. . µ ρ VD f == 64 Re Thí nghiệm 3. Các thông số tính tương tự thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2. f tra từ đồ thò bi u diễn mối quan hệ giữa Re và f ở thí nghiệm 2 theo ống A. Để tính chiều dài tương đương : td l cho